一种天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂的可控合成方法技术

本发明专利技术公开了一种天然导电纳米碳负载的纳米催化剂的可控合成方法，所述方法包括以下步骤：将天然导电纳米碳粉末、二种或以上有机金属化合物加入溶剂中，在惰性气体的保护下初步升温并保持一定时间使其均匀混合；升温到反应温度并保持一定时间以反应制得第一反应液；进行固液分离；将分离出来的固体产物清洗，获得天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂。本发明专利技术提供了一条有效制备天然导电纳米碳负载的合金纳米催化剂的途径，操作简单，产物均匀性好，对环境影响小；所得到的导电纳米碳负载的合金纳米结构具有很好的稳定性和电化学性，其优异的甲醇氧化催化性质使其在燃料电池领域具有重要的应用价值。

Controllable synthesis of a natural conductive nano carbon supported nano alloy catalyst

【技术实现步骤摘要】
一种天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂的可控合成方法
本专利技术涉及金属催化纳米材料
，特别涉及一种天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂的合成方法。
技术介绍
随着传统的化石能源日渐匮乏，加之人类对能源需求不断增加，作为一种新型、绿色、高效能量转换装置——(氢、甲醇、甲酸和乙醇等)燃料电池成为了当下的研究热点。由于电催化反应存在巨大的反应能垒，通常需要人们使用催化剂，来降低能垒从而减少能源消耗。金属铂一直被认为是燃料电池中阴极和阳极反应具有最好催化活性的纯金属电催化材料，然而，铂在地壳中的资源储量稀缺、价格昂贵，限制了其商业应用，为了解决这一问题，人们主要从提升铂基催化剂性能和减少铂用量的方面来设计催化材料。研究方向包括寻找比传统金属铂更高效的铂和非铂的原子尺度新型结构，和寻找更高效的合金成份与结构。镍铂双元合金纳米材料由于具有优异的催化性质，近年来受到人们的广泛关注。相对于铂单质催化剂，镍铂双金属催化剂在控制表面结构和原子排列方面有更强的优势，因此镍铂双金属纳米材料成为一种重要的燃料电池催化剂。催化材料在应用过程中，为了提高其分散性、稳定性和可回收性，通常将催化材料负载在特定的载体上。基于载体和催化材料之间的相互作用，也可通过二者之间的界面调控，形成更高效的催化剂的原子尺度新型结构，提升催化材料的催化活性。作为催化材料的载体，需同时满足以下条件：(1)优异的导电能力，以促进催化反应的电子转移；(2)高比表面积、不含有任何使催化剂中毒的杂质，以改善催化剂在载体表面上的均匀分散、质量活性及催化效率；(3)良好的稳定性和耐腐蚀性；(4)易于大规模制备；(5)价格较低；但归根结底是高催化效率与性价比。目前，用于燃料电池的催化剂载体通常是碳材料，包括炭黑、碳纳米管、碳纤维、富勒烯、石墨烯、碳纳米笼等，这是因为碳材料具有的在酸性和碱性介质的高稳定性、高电导率和高活性面积。研究表明，碳纳米管、石墨烯等用作催化材料的载体，比炭黑等载体具有明显的催化活性优势，比碳纳米笼等载体具有明显的价格优势，成为当前的研究热点。尽管碳纳米管和石墨烯等已大规模生产，市场价格降至每公斤3,000元至60,000元，但由于其价格依然远高于煤炭、石墨、金属、聚合物等工程材料，在一定程度上限制了其大规模应用。寻找与炭黑等具有价格竞争力，与碳纳米管、石墨烯等具有性能相当的碳催化剂载体，具有重要的科学意义和应用价值。作为催化剂材料的理想载体，需要具有高的比表面积、更多的缺陷(活性位点暴露)和高的导电性。为了得到缺陷结构，研究者通常采用用到浓KOH、HF等强腐蚀性、有毒试剂，限制了其广泛使用。因此，非常有必要发展一种制备简便、绿色环保的方法来制备具有高比表面积和高活性的碳基催化剂。近年来，人们开始在天然矿物资源中探索低成本生产和大批量应用纳米碳晶。美国Rice大学Tour课题组发展了一种从煤中提取纳米石墨烯薄片(简称纳米石墨烯或石墨烯量子点)的方法，并推广到电化学催化、光学等方面应用，引起了众多课题组的关注。这种方法以煤炭为碳原料，通过氧化腐蚀分解、切割、剥离等技术，制备出由纳米石墨烯(石墨烯量子点)组成的特定纳米碳晶，其中纳米石墨烯的尺寸大小通常在2nm左右，厚度为1-4个原子层。这种方法表面上大大降低了生产石墨烯的成本，但实质上制备过程中因只采用无烟煤和所有比烟煤碳化度更低的煤，而所有这些普通煤里只含10％左右纳米石墨烯，故此这种通过氧化腐蚀分解、切割、剥离等技术制备纳米石墨烯的工艺带来的严重环境污染和化学品消耗，实际总生产成本仍高。不少课题组致力于解决该方法的环境污染问题，取得一些成效，但不能从根本上解决问题。Tour发展的从煤中提取纳米石墨烯的方法，没有充分考虑到煤的多样性和非均质性。煤的形成经历了数千万乃至数亿年的地球地质变质作用，发生了一系列化学反应，形成了丰富的碳结构。在已经报道的文献中，提出了134种煤炭分子结构，其中18个模型经实验验证而得到学术界的普遍认可。Tour等提取的尺寸为1-2nm的纳米石墨烯薄片主要来自于煤中高浓度芳香族碳原子结构。其他丰富的碳结构材料，在氧化腐蚀分解等提取过程中被转化成为了废弃残余物，造成了资源的大量浪费。在相关理论和前人探索的基础上，我们提出了一套简易的选煤方法，将天然成分50％以上含导电纳米碳的煤筛选出来；又提出了低成本、绿色环保的物理湿磨技术，从优选的煤、煤矸石、炭中提取包括碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米洋葱、纳米石墨烯和纳米石墨片的导电纳米碳晶混合物，研究表明，用该方法和技术制备的纳米碳，其表面具有丰富的缺陷态。推广应用该项技术，将会大幅降低了碳材料用作电化学催化剂载体的成本，推进天然导电纳米碳作为电化学催化材料载体的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种天然导电纳米碳负载的合金纳米催化剂的可控合成方法。本方法克服了现有技术所需工艺及体系复杂、成本高的不足，所用配料简单，所获得的天然导电纳米碳负载的合金纳米催化剂的均匀性、分散性好，纯度高，成分可控，甲醇和乙醇氧化催化性能优异且具有较好的稳定性。本专利技术提供一种天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂的可控合成方法，所述方法包括以下步骤：1)将天然导电纳米碳粉末、二种或以上有机金属化合物加入溶剂中，在惰性气体的保护下初步升温并保持一定时间使其均匀混合；2)升温到反应温度并保持一定时间以反应制得第一反应液；3)进行固液分离；4)将步骤3)分离出来的固体产物清洗，获得天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂。优选的是，所述天然导电纳米碳包括从导电煤、导电炭和含导电煤的煤矸石的其中一种或多种中选取的煤基材料磨制的纳米干粉或浆料。优选的是，所述纳米合金是铂镍纳米合金；优选的是，所述有机金属化合物包括铂的有机金属化合物和镍的有机金属化合物；优选的是，所述铂的有机金属化合物包括乙酰丙酮铂和氯铂酸的其中一种或两种；优选的是，镍的有机金属化合物包括乙酰丙酮镍、醋酸镍和甲酸镍的其中一种或多种；优选的是，所述溶剂包括油胺、油酸、二苯醚和N，N-二甲基酰胺的其中一种或多种；优选的是，所述惰性气体包括氩气或氮气。优选的是，所述初步升温的保持温度包括70～160℃，所述初步升温的保持时间超过10分钟；优选的是，所述初步升温的保持时间包括10-100分钟；优选的是，所述初步升温的保持温度包括130℃；优选的是，所述初步升温的保持时间包括30分钟。优选的是，所述反应温度包括200-400℃，所述反应温度的保持时间超过10分钟；优选的是，所述反应温度的保持时间包括10-100分钟；优选的是，所述反应温度包括250℃，所述反应温度的保持时间包括40分钟。优选的是，所述分离工序包括离心分离和过滤分离的其中一种或两种。优选的是，所述清洗包括超声清洗；优选的是，所述超声清洗包括第一次超声清洗、第二次超声清洗和第三次超声清洗；优选的是，所述第一次超声清洗包括对所述固体产物利用三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂的可控合成方法，所述方法包括以下步骤：/n将天然导电纳米碳粉末、二种或以上有机金属化合物加入溶剂中，在惰性气体的保护下初步升温并保持一定时间使其均匀混合；/n升温到反应温度并保持一定时间以反应制得第一反应液；/n进行固液分离；/n将步骤3）分离出来的固体产物清洗，获得天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂的可控合成方法，所述方法包括以下步骤：
将天然导电纳米碳粉末、二种或以上有机金属化合物加入溶剂中，在惰性气体的保护下初步升温并保持一定时间使其均匀混合；
升温到反应温度并保持一定时间以反应制得第一反应液；
进行固液分离；
将步骤3）分离出来的固体产物清洗，获得天然导电纳米碳负载的纳米合金催化剂。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天然导电纳米碳包括从导电煤、导电炭和含导电煤的煤矸石的其中一种或多种中选取的煤基材料磨制的纳米干粉或浆料。


3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述纳米合金是铂镍纳米合金；
优选的是，所述有机金属化合物包括铂的有机金属化合物和镍的有机金属化合物；
优选的是，所述铂的有机金属化合物包括乙酰丙酮铂和氯铂酸的其中一种或两种；
优选的是，镍的有机金属化合物包括乙酰丙酮镍、醋酸镍和甲酸镍的其中一种或多种；
优选的是，所述溶剂包括油胺、油酸、二苯醚和N，N-二甲基酰胺的其中一种或多种；
优选的是，所述惰性气体包括氩气或氮气。


4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述初步升温的保持温度包括70~160℃，所述初步升温的保持时间超过10分钟；
优选的是，所述初步升温的保持时间包括10-100分钟；
优选的是，所述初步升温的保持温度包括130℃；
优选的是，所述初步升温的保持时间包括30分钟。


5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述反应温度包括200-400℃，所述反应温度的保持时间超过10分钟；
优选的是，所述反应温度的保持时间包括10-100分钟；
优选的是，所述反应温度包括250℃，所述反应温度的保持时间包括40分钟。


6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述分离工序包括离心分离和过滤分离的其中一种或两种。


7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述清洗包括超声清洗；
优选的是，所述超声清洗包括第一次超声清洗、第二次超声清洗和第三次超声清洗；
优选的是，所述第一次超声清洗包括对...

【专利技术属性】
技术研发人员：单艾娴，刘焕明，腾雪爱，
申请(专利权)人：佛山巧鸾科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44